DESEMPENHO NA REMOÇÃO DA DBO UTILIZANDO REATORES AERÓBIOS DE LEITO FLUIDIZADO POR JATOS DE AR EM CONJUNTO COM UMA BOMBA AXIAL. Dib Gebara* Faculdade de Engenharia de Ilha Solteira Feis/Unesp Departamento de Engenharia Civil Milton Dall Aglio Sobrinho Faculdade de Engenharia de Ilha Solteira Feis/Unesp Departamento de Engenharia Civil Humberto Carlos Ruggeri Júnior Faculdade de Engenharia de Ilha Solteira Feis/Unesp Departamento de Matemática (*) Engenheiro Civil, Mestre em Hidráulica e Saneamento, Professor Assistente do Departamento de Engenharia Civil da Faculdade de Engenharia de Ilha Solteira Feis/Unesp. (*) Alameda Bahia, 550, Cep: 15385-000, Ilha Solteira SP/ Brasil. Fone: (0xx18) 3743-1206. e-mail: dib@dec.feis.unesp.br RESUMO Neste trabalho serão apresentados os resultados de remoção da DBO, obtidos em uma bancada experimental composta por dois reatores aeróbios fluidizados por jatos de ar em conjunto com uma bomba axial. O desempenho dos reatores será discutido variando o tempo de detenção hidráulica (TDH) e verificando também o efeito da altura dos reatores sobre as remoções. Os reatores foram confeccionados em PVC e possuem um diâmetro interno de 200 mm, externo de 250 mm e suas alturas são de 6 e 12 metros respectivamente. Ambos os reatores possuem uma bomba de eixo axial localizada junto aos decantadores. As bombas permitiram uma redução na vazão de ar necessária para manter as partículas sólidas durante o período de formação do biofilme. A fase experimental foi realizada em cinco fases onde na primeira fase os reatores operaram com TDH de 8h e nas fases subseqüentes este tempo foi reduzido para 6, 4, 3 e 2 horas. Os reatores apresentaram bons resultados na remoção da DBO. Entretando durante a fase com DTH de 2 horas os valores de remoções em ambos os reatores sofreram oscilações, durante toda fase. O difícil controle da vazão no sistema atual possivelmente forçou a operação com tempos abaixo de 2 horas. Apesar da dificuldade em manter a vazão constante, ambos os reatores apresentaram também remoções bastante satisfatórios com TDH de 2 horas. Os resultados também apontaram que ambos os reatores tiveram um desempenho bastante semelhante, demonstrando que até um certo limite esses dispositivos não sofrem influencia do efeito da altura sobre seu desempenho. Isso favorece o desenvolvimento de reatores ainda mais compactos. Palavras-chave: Biofilme; Reator aeróbio; Leito Fluidizado, Air lift, Esgoto Doméstico, Tratamento.
INTRODUÇÃO Os reatores aeróbios de leito fluidizado por jatos de ar utilizam biomassa aderida a uma partícula sólida permitindo que estes dispositivos operem com um tempo de detenção da fase líquida independente do tempo de detenção celular, fazendo com que os reatores assumam uma geometria mais compacta em relação aos demais sistemas. Estes dispositivos vêm apresentando um bom desempenho na remoção da matéria orgânica com baixo TDH. Alguns autores como Heijnen et al. (1993) vem relatando bons resultados com tempos de detenção da ordem de 2 a 4 horas. Outros autores, entretanto (Furtado et al, 1998), apresentaram resultados satisfatórios apenas com TDH bem maior, da ordem de 8 a 10 horas. O transporte de massa ou no caso substrato por processos difusivos nos flocos e biofilmes é resultado da existência de um gradiente de concentração nas suas proximidades. A profundidade da penetração do substrato depende da porosidade, concentração do substrato, da taxa de transferência de massa na interface líquido-biofilme e líquido - flocos e a taxa de reação dos microorganismos (Nicolella et al,2000). Nicolella et al.(2000), apresenta uma série de reatores com aplicação em águas residuárias. Os principais tipos de reatores aplicados são os USB (Biofilm Upflow Sludge), BFB (Fluidized Bed), EGSB (Expanded Granular Sludge Blanket) entre outros. Entretanto o controle da espessura do biofilme nestes reatores é difícil, trazendo problemas de difusão do substrato no interior do biofilme. Nos reatores de leito fluidizado por jatos de ar, a condição de fluxo turbulento garante uma maior interação entre as partículas por meio do atrito, ocasionando o controle da espessura e melhorando a condição do transporte de nutrientes às regiões mais profundas. Os reatores fluidizados por jatos de ar operam com alta concentração de biomassa sem a necessidade de tanques de sedimentação para retenção e recirculação de biomassa. Entretanto Nicolella et al., (2000) chama a atenção, que em algumas ocasiões, há necessidade de uma etapa de polimento para remover uma quantidade de biomassa suspensa que tem sua origem nos processos de desprendimento do biofilme devido aos efeitos hidrodinâmicos. Os resultantes da aplicação desta tecnologia permitiriam tratar esgotos sanitários de forma distribuída, mais próxima aos pontos de geração, viabilizando a implantação de tratamento em situações em que as áreas disponíveis são escassas ou de custo elevado, compensando os maiores custos de operação inerentes a esse tipo de tratamento. MATERIAIS E MÉTODOS A Bancada experimental é composta por dois reatores de 6 e 12 metros de altura, confeccionados em PVC, com um diâmetro interno de 200 mm e externo de 250 mm. Toda bancada é sustentada por uma estrutura de madeira dividida em 3 patamares que permitem a instrumentação dos reatores. Os injetores de ar responsáveis pela aeração dos reatores e fluidização do meio foram confeccionados também em PVC. Possuindo diâmetro de 40 mm os injetores foram perfurados em 6 carreiras de 36 furos. Cada furo possui um diâmetro aproximado de 1 mm espaçados cerca de 3 mm entre eles. Todo sistema de injeção de ar é sustentado por compressores e o controle da vazão de ar é feito através de um rotâmetro instalado entre os injetores e os compressores. Uma válvula reguladora de pressão e um filtro de ar foram locados entre os compressores e o rotâmetro, permitindo que o sistema operasse com uma pressão de saída constante. No topo de cada unidade existe um decantador de 0,95 m de diâmetro e uma estrutura que serve de apoio à bomba axial. A inclusão da bomba de eixo axial permitiu a redução na vazão de operação dos reatores de 5500 l/h para 2700 l/h sem o comprometimento da fluidização do meio. A bancada está localizada no município de Ilha Solteira e a alimentação dos reatores é proveniente da estação elevatória de esgoto. Partindo de uma derivação da linha de recalque da estação, o esgoto passa por um sistema de peneira de grade fina e logo após é recalcado até a caixa de nível constante onde é realizado o controle da vazão de esgoto. A figura 1 mostra um esquema da bancada experimental.
Figura 1: Esquema da Bancada Experimental O material utilizado como meio suporte para o crescimento do filme foi areia fina com um diâmetro médio de 0,27 mm e com massa específica dos sólidos de 2657 kg/m 3. Para a caracterização deste material foram realizadas análises granulométricas conjunta (NBR 7181/84) e a massa específica dos sólidos seguiu a metodologia preconizada pela ABNT(NBR 6508/84).Os reatores operaram durante toda a fase de experimentação com uma vazão de ar de 2700 NL/h e com uma concentração de areia de 100 g/l. Inicialmente os reatores começaram a operar com TDH de 8 h, sendo reduzidos gradativamente para 6, 4, 3 e 2 horas. Para a caracterização do esgoto afluente e efluente dos reatores foram realizadas análises de DBO bruta e filtrada de acordo com Standart Methods for Examination of Water and Wastwater (APHA, AWWA & WPCF, 1998). As amostras contendo o esgoto afluente dos reatores foram coletadas em um ponto a jusante da peneira de grade fina, em três períodos de tempo consecutivos, caracterizando uma amostra composta. Várias campanhas de monitoramento 24 horas foram realizadas para determinar qual seria o período onde o esgoto afluente se encontrava com maior concentração. As amostras do efluente dos reatores também foram coletadas em três períodos consecutivos, respeitando se o tempo de detenção de cada fase de operação. As amostras efluentes foram coletadas em um ponto a jusante da saída dos decantadores de cada unidade.
RESULTADOS A figura 2 mostra o gráfico de remoção da DBO filtrada em termos percentuais, para o reator de 12 m, durante a fase de operação dos reatores com a bomba axial em funcionamento. Como exposto anteriormente os reatores começaram a operar com TDH = 8, sendo posteriormente reduzidos esses tempos. O final do período de 8 horas coincide com o começo do período de 6 horas e essa metodologia foi seguida para os demais tempos. Entretanto o gráfico apresenta os resultados em função dos dias de operação de cada fase para efeito comparativo entre os tempos. Figura 2: Remoção da DBO filtrada Reator 12 m. Pelo gráfico da figura 1 observam-se melhores resultados de remoção para TDH = 4 horas. Era esperado que as remoções fossem um pouco melhores para TDH=8 horas. Esse comportamento pode ser atribuído ao tempo requerido para adaptação e formação do biofilme. Para os tempos subseqüentes podem-se observar valores mais constantes com baixa dispersão dos dados, indicando que o reator já estava estabilizado. Os resultados com TDH s = 6 e 3 horas apresentaram resultados bastante semelhantes ao que é observado com 4 horas,. Com TDH de 2 horas pode-se observar novamente uma certa oscilação nos resultados, mas os resultados ainda foram satisfatórios com este tempo, apresentando em média remoções de 95%, chegando a apresentar remoções da ordem de 98 % em termos da DBO filtrada. A dificuldade em manter constante a vazão de alimentação dos reatores pode ter provocado a operação com tempos menores que 2 horas, o que pode explicar os resultados não satisfatórios. O gráfico da figura 2 mostra o comportamento das remoções no reator de 6 m. Observa-se um comportamento semelhante ao gráfico da figura 1. Foram observadas oscilações no desempenho para os TDH's de 8 e 2 h durante estas duas fases de operação no reator de 6 m. Deve-se ressaltar que ambos os reatores dispõem do mesmo sistema de controle de vazão, podendo desta maneira, ter forçado o reator de 6m a operar com TDH abaixo de 2 horas.
Figura 3: Remoção da DBO filtrada Reator 6 m. Os gráficos das figuras 4 e 5 apresentam os resultados de remoção de DBO bruta nos reatores de 12 e 6 m respectivamente. Observa-se um comportamento semelhante ao gráfico da figura 1. Os resultados poderiam ser melhores se não fosse ao fato da existência de lodo de má sedimentação observado nos decantadores. Este lodo acaba sendo carregado para fora dos reatores junto com o efluente. O difícil controle da vazão de alimentação acaba acentuando a variabilidade dos resultados da DBO bruta. Figura 4: Remoção da DBO bruta Reator 12 m.
Figura 5: Remoção da DBO bruta Reator 6 m. Os gráficos das figuras 6, 7, 8, 9, 10 mostram uma comparação entre o desempenho do reator de 12 e 6 metros para os TDH's de 8, 6, 4, 3, 2 com o intuito de verificar o efeito da altura no desempenho de reatores aeróbios de leito fluidizado. Adotou-se a DBO filtrada como parâmetro de comparação entre as eficiências, eliminado o efeito de variabilidade dos dados verificados em termos da DBO bruta. Figura 6: Remoção da DBO filtrada Reator 12 e 6 m TDH = 8h.
Figura 7: Remoção da DBO filtrada Reator 12 e 6 m TDH = 6h. Figura 8: Remoção da DBO filtrada Reator 12 e 6 m TDH = 4h.
Figura 9: Remoção da DBO filtrada Reator 12 e 6 m TDH = 3h. Figura 10: Remoção da DBO filtrada Reator 12 e 6 m TDH = 2h. A partir dos gráficos comparativos entre o desempenho dos dois reatores, observa-se que as remoções não foram afetadas pela redução na altura dos reatores. Novos trabalhos podem ser propostos com relação ao efeito da altura nos reatores aeróbios, permitindo no futuro obter um limite na qual a diminuição da altura poderia afetar o desempenho destes objetivos. O resultado também é interessante porque também indica a possibilidade de construir dispositivos mais compactos.
RESULTADOS Os reatores apresentaram bons resultados de remoção da DBO para os tempos de 8, 6, 4, 3 horas. Apesar da variabilidade dos resultados observada para TDH = 2 h, os resultados são promissores e corroboram com observações feitas por Heijnen et al., (1993) para baixos TDH s. Em uma nova etapa com a instalação de bombas peristálticas para o controle mais efetivo da vazão os resultados poderão ser mais conclusivos para este TDH. Está em fase de implantação, uma câmara de flotação junto aos decantadores, onde resultados preliminares realizados em laboratório com o efluente dos reatores apontaram a viabilidade de utilização desta câmara. Agradecimentos. À FAPESP, FUNDUNESP pelo apoio financeiro e PREFEITURA MUNICIPAL DE ILHA SOLTEIRA por apoiar cedendo o local para a realização do experimento. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS APHA, AWWA & WPCF. Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater APHA, Washington, DC, USA: APHA, 1998. V.1. il. FURTADO, A.A.L.; ALBUQUERQUE, R.T.; LEITE, S.G.F. & PEÇANHA, R.P. Effect of Hydraulic Retention Time on Nitrification in an Airlift Biological Reactor. Bras. J. of Chem. Eng.: v.15(3), 1998. HEIJNEN, J. et al. Development and Scale-Up of an Aerobic Biofilm Air-Lift Suspension Reactor. J. Water Sci. Tech.: v. 27, p.253-261, 1993. NICOLELLA, C.; VAN LOOSDRECHT, M.C.M; HEIJNEN, J.J. Wastewater treatment with particulate biofilm reactors. Journal of Biotechnology, v.80, p. 1-33, 2000.